Profibus現場總線在現代污水處理廠中的應用

高慶敏，胡夢霞

(華北水利水電學院，河南 鄭州 450011)

Profibus現場總線在現代污水處理廠中的應用

高慶敏，胡夢霞

(華北水利水電學院，河南 鄭州 450011)

針對污水處理廠控制系統(tǒng)實時性、可靠性差的缺陷，提出了一種基于過程現場總線的控制系統(tǒng).該控制系統(tǒng)的主要特點是采用集中控制和分散控制相結合的方式，主站和從站構成相互獨立的子系統(tǒng)，使信息交換更加快捷且具有很強的擴展性，實現了對污水廠的實時監(jiān)控.

Profibus;現場總線;可編程邏輯控制器

隨著經濟的發(fā)展、社會的進步、環(huán)境保護意識的不斷增強，人們對污水處理廠出水水質的要求越來越高，這就要求污水處理廠的處理工藝需要進行不斷地改進，其相應的自動控制也要提高.在新建的污水處理廠控制系統(tǒng)中，可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)的數量和輸入、輸出端口(Input/Output，I/O)成倍增加，使得數據處理量大大增加，出現了信息交換速度下降、數據丟失、控制反應延時等一系列亟待解決的問題.針對這些問題，筆者提出了Profibus現場總線控制技術.該系統(tǒng)中各主站和各自的從站構成相互獨立的子系統(tǒng)，使得系統(tǒng)具有更高的通信速率、更強的穩(wěn)定性和擴展性.

1 Profibus現場總線系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的發(fā)展經歷了模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數字控制系統(tǒng)、集散性控制系統(tǒng)、現場總線控制系統(tǒng)4個階段.現場總線控制系統(tǒng)之所以取代前幾種系統(tǒng)成為新一代的控制系統(tǒng)，一方面它突破了集散控制系統(tǒng)(Total Distributed Control System，DCS)采用專用通信網絡的局限，采用了基于公開化、標準化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷;另一方面把DCS的集中和分散相結合的集散系統(tǒng)結構變成了新興的全分布式結構，把控制功能完全放在現場.與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，它具有體系結構開放、系統(tǒng)集成靈活方便、硬件智能化、傳輸數字化、控制計算機高品質化的特點［1］.可以說，開放性、分散性、數字通信是現場總線系統(tǒng)最顯著的特點.

Profibus系列由Profibus－DP(Decentralized Periphery)，Profibus－ FMS(Fieldbus Message Specification)，Profibus－PA(Process Automation)3個兼容部分組成［2］.通常來說，現場級采用Profibus－DP現場總線，車間單元級采用Profibus－FMS總線，工廠級采用工業(yè)以太網［3］.

污水處理廠現場級采用Profibus－DP技術來實現水廠的自動控制和現場設備的實時監(jiān)控.用戶數據在DPM1(第Ⅰ類主站)和相關DP從站間的傳輸按照DPM1既定的順序自動執(zhí)行.Profibus可構成單主站或多主站系統(tǒng)，它使得系統(tǒng)配置的靈活性大大增強.這些主站和各自的從站構成相互獨立的子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)都有一個DPM1指定的若干從站及可能的DPM2(第Ⅱ類主站)設備.任何一個主站都可以讀取DP從站的輸入/輸出影像，但只有一個DP主站允許對DP從站寫入、輸出數據.除主從站數據傳輸功能外，Profibus－DP允許主站間進行數據通信，這些功能可使那些配置的診斷設備通過總線對系統(tǒng)進行上傳和下載，以實現組態(tài)和診斷.

RS－485傳輸技術是Profibus最常用的一種傳輸技術，它應用于各種需要高速傳輸、設備簡單而價格低廉的領域.Profibus－DP/FMS通信介質為屏蔽雙絞線或光纖，其傳輸速率為9.6～12.0 Mbit/s，傳輸距離為100～1 200 m，在污水處理廠應用時，可通過中繼器來延長其傳輸距離.

Profibus現場總線系統(tǒng)較其他系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、通信速率快、擴展性強等優(yōu)點，并且可實現智能現場設備的可視化和報警處理［4］，下面就某污水處理廠的具體要求討論Profibus現場總線技術的具體應用.

2 污水處理廠的工藝流程

某污水處理廠的工藝流程如圖1所示.

圖1 污水處理廠工藝流程圖

來自市政管網的污水經格柵除去較大的懸浮物和漂浮物;然后經提升泵站至沉砂池，污水中砂子、煤渣等比重較大的顆粒在沉砂池內得以去除;之后沉砂池中上清液進入初沉池，使得污水中密度較大的固體懸浮物沉淀分離;最后進入整個污水處理系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)——氧化溝部分.氧化溝中生物處理環(huán)節(jié)直接影響出水水質，因此其設計是整個污水處理廠自動控制的關鍵［5］.設計中采用變頻式鼓風機，既能提供充足的溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)又不至于浪費資源.為了保證溶解氧質量濃度的準確性，該設計溶解氧值采用氧化溝內3個不同位置DO質量濃度的加權平均值作為檢測值.經過處理后的出水經管網排出，而氧化溝中的剩余污泥則進入污泥處理部分，經過濃縮、消化、脫水之后，泥餅外運.

3 控制系統(tǒng)結構和功能

該污水處理廠控制系統(tǒng)為多主站的Profibus－DP系統(tǒng).將預處理部分PLC、生物處理部分PLC、污泥處理部分PLC作為主動站，工藝中采用的智能傳感器和外圍I/O作為從動站.基于Profibus現場總線控制技術的污水處理廠系統(tǒng)結構如圖2所示.

3.1 預處理部分

為保護污水提升泵電機及節(jié)約成本，3臺水泵用1臺TGSIR智能軟啟動器啟動.控制站采用西門子S7－300PLC，前后水井的水位檢測采用2只LISAIB型超聲波液位儀，安放在格柵機前后的水井中.沉砂池及初沉池的主要自動控制對象是排泥泵，一般來說排泥泵是依靠定時器來控制其啟閉的，該污水廠采用污泥濃度測定儀和污泥界面儀進行自動控制，這樣可靠性更好.它既能避免污泥積累過多引起的堵塞問題，又能防止排出的污泥濃度過低、含水率高的問題，尤其對于污水量變化很大難以選擇排泥周期的初次沉淀池，更能顯示其優(yōu)越性.送水管道中的水流量采用DCL－4G電磁流量計(4～20 mA)檢測，壓力采用電容式壓力變送器(量程0～0.6 MPa)檢測.這些測量儀將測量值轉換為0～5 V的直流電壓信號，輸入PLC的模擬量輸入模板.

圖2 控制系統(tǒng)結構圖

3.2 生物處理部分

生物處理部分是整個污水處理部分的核心環(huán)節(jié)，直接決定出水水質的好壞.因為污水處理的實質就是利用活性污泥中的微生物的新陳代謝來分解污水中的有機物，而活性污泥中的微生物要進行新陳代謝，溶解氧(DO)的質量濃度就顯得尤為重要，通常DO質量濃度在曝氣池進口處為0.5～1.0 mg/L，在出口附近為2～3 mg/L是比較理想的.曝氣不足會產生厭氧狀態(tài)和污泥釋放磷，曝氣過量相應的運行費用又會大大提高.為節(jié)省能源，該污水處理廠設計采用變頻式鼓風機;控制站在曝氣過程采用西門子S7－300PLC;由于氧化溝體積比較大，為保證DO質量濃度的準確性，將3個溶解氧測定儀分別放在氧化溝的入水口、中段和出水口處，采用3個數的加權平均值進行運算，通過判斷其與設定值是否保持一致來調節(jié)供氣量，維持DO質量濃度一定.

這種定DO質量濃度控制下的供氣量只能在一定程度上反映氧化溝內部活性污泥的活性及其他因素的綜合作用結果，若要針對影響供氣量的種種因素(微生物的量及活性、氧轉移效率和速率、進水水質等)做精確分析，就需建立能夠描述系統(tǒng)動態(tài)特性的狀態(tài)方程和表示最優(yōu)控制目標的性能指標表達式，給出最優(yōu)控制變量的變化規(guī)律及控制算法.

該污水廠采用普通4～20 mA溶解氧儀接PLC模擬輸入點.其中生物處理段PLC控制流程如圖3所示.

圖3 生物處理段PLC控制流程圖

3.3 污泥處理

污泥處理PLC控制分為污泥濃縮、厭氧消化和污泥脫水3部分.濃縮池的控制主要是指排放濃縮污泥的控制，用計時器控制污泥泵的啟動，用污泥濃度計檢測污泥濃度降低至某一設定濃度時停泵［6］.厭氧消化主要控制消化池內的溫度、污泥的投加和攪拌.由于消化池內溫度檢測響應速度較慢，一般采用帶有滯后時間補償回路的控制方式.污泥脫水預處理部分，通過藥罐內的液位計來控制電磁閥以達到控制絮凝劑的投加比例的目的，污泥脫水PLC通過儲泥池液位來控制脫水機的啟停.

4 結語

現場總線技術在污水處理廠控制系統(tǒng)中的應用使信息交換的速率大大提高，實現了對污水廠的實時監(jiān)控，并且提高了污水處理的可靠性.系統(tǒng)有很強的擴展性，使得后續(xù)的改造工作能夠順利進行.

［1］凌志浩.DCS與現場總線控制系統(tǒng)［M］.上海:華東理工大學出版社，2008.

［2］潘立登.過程控制［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［3］夏文斌.基于Profibus總線的DCS系統(tǒng)在污水廠的應用［J］.中國設備工程，2011，27(4):42 －43.

［4］謝鯤.Profibus現場總線在污水處理控制系統(tǒng)中的應用研究［J］.機械與電子，2003，21(6):23 －25.

［5］張自杰.排水工程［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［6］崔福義，彭永臻.給水排水工程儀表與控制［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

The Application of Field Bus Technology Profibus in the Modern Sewage Treatment Plants

GAO Qing-min，HU Meng-xia
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

The control system of sewage treatment plants usually feature bad instantaneity and poor reliability，therefore the paper puts forward a control system based on process field bus technology.The main characteristic of this system is that it adopts a combination of centralized and scattered controls，and the master station in it and its slave stations make up an independent subsystem，which enables the information exchange to be faster and easier to expand.The research done in the paper can realize the real-time monitoring of the sewage treatment plants.

Profibus;fieldbus;PLC

1002－5634(2012)02－0134－03

2011－11－20

高慶敏(1952—)，男，河南新野人，教授，主要從事電力系統(tǒng)安全運行與智能控制方面的研究.

(責任編輯:蔡洪濤)